一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头制造技术

本发明专利技术涉及一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，属于电子器件领域。本发明专利技术建立了宽频范围适用的分压电路模型，分析了分压器尺寸对探头带宽的影响规律，并给出了一种最大化探头带宽的回路补偿方法。实验结果表明：多层陶瓷电容的等效串联电感，以及PCB平面耦合的传输线效应，是制约差分电压探头带宽的瓶颈问题，采用基于平行板传输线的高带宽分压结构、优化承压臂长度、高频回路补偿等新结构和新方法，可以突破差分探头的带宽极限到500MHz，为一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头和宽禁带器件的设计研发、测试表征、标准制定，提供有益的参考。提供有益的参考。提供有益的参考。

【技术实现步骤摘要】
一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头


[0001]本专利技术属于电子器件领域，涉及一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头。

技术介绍

[0002]与Si IGBT相比，以碳化硅(Silicon carbide，SiC)MOSFET为代表的宽禁带器件，拥有更高的开关速度、更低的开关损耗，能有效提升电气装备的功率密度。相比于Si IGBT几微秒的开关时间，SiC MOSFET的开关时间通常为几十纳秒，GaN HEMT的开关时间甚至仅为几纳秒，对测量探头的性能提出了更高的要求。为了保证不小于98％的测量精度，通常要求探头的带宽是被测信号最大带宽的5倍以上，电压与电流探头带宽不应低于400MHz。然而，目前商业电压探头还不能完全满足测试要求。同时，随着宽禁带器件开关速度的不断提升，由探头性能不足引起的开关损耗测量误差可能超过100％，导致器件选型、热设计和寿命评估等环节产生严重偏差。因此，提升电压探头的性能，提高开关测量的精度，具有十分迫切的工业需求，以及非常重要的研究意义。
[0003]针对电压探头的性能提升，已有部分文献从拓扑优化、耦合机制和交互机理3个方面展开了一些研究。在拓扑优化方面，针对单端分压器，在分立电阻两端并联分立电容，可以为高频信号提供低阻抗路径，能够有效提升探头信噪比(Signal
‑
to
‑
Noise Ratio，SNR)和带宽。对于阻容分压器，计及回路寄生参数，通过优化PCB布局和外围电气结构，减小寄生参数影响，提升电压探头性能。采用同轴电阻的原理，制成的同轴阻容分压器，具有高带宽的潜力，但测试研发成本较分立元件更高。为了满足高压、高频等复杂电气场合的测量需求，基于浮地测量(差分型探头)和隔离测量(隔离型探头)原理的新拓扑也不断涌现。在耦合机制方面，采用电光效应、逆压电效应和电致发光效应等传感原理，对高压模拟信号进行光学调制，实现前后级的模拟隔离测量。此外，采用模数转换器(Analog
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to
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digital converter，ADC)将被测电压信号转换为数字信号，利用数字隔离芯片、数字光调制或无线技术，将数字信号传输至弱电侧，实现数字隔离测量。在交互机理方面，主要集中在探头对宽禁带器件暂态稳定的影响机制研究。通过对探头进行集总参数阻抗建模，考虑被测器件(Device under test,DUT)和电路阻抗，研究探头与DUT之间的相互作用机理和稳定性影响规律，可以给出最大化探头性能的测试方法和测试建议。综上，现有针对电压探头的性能优化研究，主要集中在集总参数表征、寄生参数优化和交互机理探索等方面。然而，对于电压探头带宽制约机理，考虑分布参数的宽带设计模型还鲜有报道，400MHz以上带宽的差分电压探头设计方法更是一片空白，亟待技术创新。
[0004]针对差分电压探头带宽约束机理不明、高频设计模型缺乏、测试表征方法匮乏等技术难题，本专利技术详细研究了一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头的理论模型和设计方法。本专利技术以包含差分电压探头的典型测量回路为参考，分析影响测量系统带宽的关键环节。基于传输线理论，揭示制约差分电压探头带宽进一步提升的根本原因，建立了宽频范围内适用的统一设计模型，提出了基于平行板传输线的高带宽分压器和差分电压探头，总结了高带宽差分探头的设计方法。采用基于边界元参数提取方法，验证模型可行性和有
效性。最后，与当前常用的几款高性能商业电压探头对比，从频域和时域两个角度，验证模型和方法的正确性和适用性。本专利技术为一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头的设计与研究，提供了新的思路和方法。为高性能电压探头的设计研发、标准制定，以及宽禁带器件的测试与应用，提供有益参考。
[0005]一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头的应用需求与研究现状
[0006](1)性能需求
[0007]高电压与高带宽性能之间存在明显折中。从射频应用到电网应用，对于电压探头的性能需求，随着工作电压提升，工作频率逐步降低。然而，为了适应SiC等宽禁带功率器件的高频、高压工作能力，既能工作在高压条件，又拥有高频特性，打破了原有需求边界，对探头性能提出了更高的要求。
[0008]为了能安全、可靠地测量宽禁带器件的高压特性，需要探头能够浮地测量，实现前后级强弱电的有效隔离，这就需要隔离型探头。同时，相比于Si器件几微秒的开关时间，SiC MOSFET开关时间通常为几十纳秒，GaN HEMT开关时间甚至只有几纳秒，因此为了准确测量其高频特性，通常要求探头的带宽是被测信号最大带宽的5倍以上，探头带宽不应低于400MHz。目前只有Tektronix公司的光隔离探头TIVP1、PMK公司的差分电压探头BumbleBee和Keysight公司的差分电压探头DP0001A能够满足测量要求。
[0009]低带宽的探头，会严重影响宽禁带器件的开关特性的测量精度，使开关边沿变慢，无法正确描述器件的开关行为，同时为后续开关损耗的测定带来误差。当宽禁带器件的开关时间小于100ns时，由探头带宽引起的损耗测量误差可能超过100％。
[0010](2)成本需求
[0011]电压探头的成本随着带宽的增加而增加。以现有商业化产品为参照，为了准确测量宽禁带功率器件的开关特性，高性能差分电压探头的价格通常大于5万元，光隔离探头的价格甚至超过20万元。高带宽、高精度、高隔离的电压测量，面临高成本的严峻挑战。
[0012](3)研究现状
[0013]为了满足宽禁带器件的测量需求，针对隔离型电压探头，已有部分文献开展了一些研究。目前，高压差分探头的研究相对较少，主要集中在集总参数电路建模与分析，带宽普遍不超过20MHz。基于数字隔离芯片，提出一种数字隔离型电压探头。然而，受限于隔离芯片的数据传输速率，探头带宽仅有1MHz，难以满足宽禁带器件严苛的测量要求。利用无线数据传输技术的天然隔离属性，研发了无线电压探头，最高带宽可达100MHz。然而，高带宽的实现需要无线探头拥有极高的采样率，这就造成较高的功耗和庞大的实时数据量，受限于无线传输速率，无线电压探头无法进行实时测量，限制了其在宽禁带器件测试中的应用。光学路径具有高带宽、天然的电气隔离属性等优点，基于此设计的光隔离电压探头，理论上可以实现较高的隔离测量性能，然而，目前还未有文献对其进行过相关报道。可以看出，带宽大于200MHz的隔离型电压探头，其设计方法还鲜有文献报道，带宽制约机理不明。针对隔离型电压探头的带宽提升，还没有形成一套完整有效的数学模型和设计方法，缺乏理论指导。
[0014]同时，高压差分探头的学术研究远远落后于商业化产品，关键技术主要掌握在探头厂商手中，开放性低、透明度差。用户难以根据特定使用场合，灵活调整探头的各项参数，以达到最佳的测试效果，定制化程度低。
[0015]综上所述，现有差分电压探头研究还不能适应宽禁带功率器件的测量要求，带宽
普遍偏低、定制化程度低、测试成本昂贵，成为主要的技术瓶颈。因此，亟需建立一种多级微带传输线的高带宽差分电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：该探头包括依次连接的信号衰减模块、信号变换模块、信号补偿与传输模块和模数变换ADC模块；高压信号经过信号衰减模块变换为
±
5V以内的低压信号，再由信号变换模块组成的信号变换网络，将低压信号变换为单端信号，然后经过信号补偿与传输模块，将单端信号经由同轴传输线连接到示波器内，示波器将对单端信号输入ADC模块进行模数变换，将测试波形显示到示波器屏幕。2.根据权利要求1所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：所述探头的带宽f
meas
为：其中，f
VD
、f
Amp
、f
Cab
和f
OSC
分别为信号衰减模块、信号变换模块、信号补偿与传输模块和ADC模块的带宽；信号衰减模块将高压、高频输入信号等比缩小后输出；信号变换模块采用运算放大器，对输入差分信号进行变换；信号传输模块用于探头输出阻抗、同轴电缆特性阻抗、示波器输入阻抗的匹配，实现信号的传输；ADC模块实现对输入模拟信号的数字变换。3.根据权利要求1所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：所述信号衰减模块阻容分压电路；其中，电阻分压电路实现低频信号的变换，电容分压电路为高频信号提供低阻抗路径，提高探头的高频信噪比SNR；选择陶瓷电容作为分压电容；单个分压电容的耐压不低于200V，容量不高于1000pF。4.根据权利要求3所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：所述陶瓷电容为多层陶瓷电容MLCC，阻抗|Z
C
|表示为：f为信号的频率；MLCC的本征谐振频率为200MHz，谐振频率以下呈显电容特性，谐振点处阻抗为R
ESL
，谐振频率以上呈显电感特性；当MLCC焊接到印刷电路板PCB时，焊盘会与PCB产生交互耦合，与MLCC呈并联关系，其中，Z
PCB
为PCB平面耦合阻抗；对于低频信号时，Z
PCB
呈显电容特性，随着信号频率的提升，信号的波长将逼近分压电路的几何尺寸，电路将由集总参数退化为分布参数，Z
PCB
出现传输线效应，使MLCC分压环节性能恶化。5.根据权利要求4所述的一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，其特征在于：所述印刷电路板PCB上各元器件之间利用微带线相连，微带线的特性利用金属平行板来近似表征，据法拉第定律和安培定律，微带线的电压和电流满足偏微分方程其中，v(z,t)和i(z,t)分别为电压波和电流波，R
s
、L、G、C分别为平行板单位长度的表面电阻、表面电感、电导与电容，单位分别为Ω/m、H/m、S/m、F/m；
符合标准的“电报方程”形式，平行板的各项属性利用“传输线理论”进行分析；忽略R
s
与G对传输线模型的影响，化简为：公式(4)为无损传输线的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾正，王宇雷，孙鹏，王亮，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：